PASS UE2 Biochimie - La Structure des Glucides - 2024 - PDF
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Université de Rouen
2024
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Dr Carole Brasse-Lagnel
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Summary
Ce cours de biochimie, PASS UE2, se concentre sur «la structure des glucides». Il inclut une introduction à la biochimie, ainsi que des informations sur la structure et les rôles des glucides dans l'organisme. Le cours est structuré par des points clés.
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PASS UE2 Biochimie La structure des glucides Dr Carole Brasse-Lagnel Maitre de conférence - Praticien Hospitalier Inserm 1245 équipe 4 PASS UE2 Biochimie Responsable Pr Isabelle D...
PASS UE2 Biochimie La structure des glucides Dr Carole Brasse-Lagnel Maitre de conférence - Praticien Hospitalier Inserm 1245 équipe 4 PASS UE2 Biochimie Responsable Pr Isabelle DUBUS La structure des glucides (2 cours) ED1 La structure des lipides (2 cours) La structure des acides aminés et protéines (4 cours) ED2 Méthodes d’études (1 cours) Enzymologie (2 cours) ED3 Introduction au métabolisme (1 cours) Cours disponibles en ligne sur Universitice + 3 séances d’ED Maitre de conférence - Praticien Hospitalier Inserm 1245 équipe 4 La structure des glucides PLAN I. Introduction à la biochimie 1. La chimie du vivant 2. Les biomolécules 3. Assemblages en macromolécules II. Structure des glucides 1. Oses - monosaccharides 2. Cyclisation des oses 3. Dérivés des oses 4. La liaison osidique et les osides Dr Brasse-Lagnel - PASS Introduction à la Biochimie La biochimie, définition Biochimie = Chimie de la vie lien entre la chimie et la biologie S’intéresse à ce qui constitue le monde vivant Tous les organismes vivants, bien qu'ils puissent être différents dans vivant leur forme et dans leur fonction, sont composés de matériaux semblables Il s'agit d'éléments chimiques qui réagissent entre eux pour donner naissance aux structures physiques caractéristiques de la matière vivante (biomolécules et macromolécules) % du poids total d’une cellule Molécules /Macromolécules Eau 70 Protéines 15 Assemblage de molécules biologiques Acides nucléiques (ADN, ARN) 7 Biochimie Structurale Polysaccharides (Glucides) 3 Lipides 2 Ions inorganiques et autres 3 molécules monomériques Dr Brasse-Lagnel - PASS Introduction à la Biochimie La biochimie, définition Hémoglobine Molécules / Macromolécules Réactivité fonction moléculaire et cellulaire Biochimie métabolique, enzymologie… Relation structure-(ré)activité La composition en atomes d’une molécule conditionne sa structure … et sa fonction Dr Brasse-Lagnel - PASS Introduction à la Biochimie La biochimie, définition La biochimie cherche à Identifier et décrire les molécules biologiques : Biochimie Lipides Structurale Glucides PASS Protéines 24h de CM + 4,5h ED Acides nucléiques Métabolites Eau Biochimie Identifier et décrire les mécanismes réactionnels Bioénergétique Métabolique Métabolisme Biochimie de la Transmission de l’information signalisation Comprendre les mécanismes moléculaires à l’origine de la vie et les pathologies Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : rappels et définitions Echelle d’observation du vivant Biochimie : monde microscopique atomes molécules cellules tissus organes appareils Organisme vivant Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : rappels et définitions Echelle d’observation du vivant Biochimie : monde microscopique atomes molécules cellules ZOOMER RMN Spectrométrie optique Cristallographie Spectrométrie électronique… En adaptant les moyens d’observation Organisme vivant Biochimie : Dans une cellule, à l’échelle d’une molécule Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : rappels et définitions Principaux atomes constituants les molécules biologiques monde microscopique Atomes qui s’organisent en Molécules Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : rappels et définitions Principaux atomes constituants les molécules biologiques Atomes qui s’organisent en Molécules Les principaux atomes… Carbone Hydrogène Oxygène Nitrogène (ancien nom de l’AZOTE, nitrogen en anglais) Phosphore Soufre …entrent dans la composition des biomolécules Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : rappels et définitions Principaux atomes constituants les molécules biologiques IONS (si perdent ou gagnent un ou des électrons) Atomes qui peuvent devenir Radicaux libres (si sur la dernière orbitale se trouve qui s’organisent en un électron non apparié) Molécules cations: métaux – monovalents: Na+, K+ (alcalins) – bivalents: Ca++, Mg++ (alcalino-terreux) anions: F-, Cl-, Br-, I- (halogènes) Macroéléments Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : rappels et définitions Principaux atomes constituants les molécules biologiques Les oligo-éléments petit nutriment minéral nécessaire à l'organisme en quantités infimes Ions métaux : Ni2+ (nickel), Cu2+ (cuivre), Zn2+ (zinc), Mn2+ (manganèse), Cr3+ (chrome), Fe2+/ Fe3+ (fer), Hémoglobine Co2+/ Co3+ (cobalt) Se2- (sélénium) Ils sont essentiels au fonctionnement de la cellule : Atome de site actif de certaines enzymes du métabolisme fer vitamines fonctionnement hormonal défense immunitaire Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : rappels et définitions Principaux atomes constituants les molécules biologiques IONS (si perdent ou gagnent un ou des électrons) Atomes qui peuvent devenir Radicaux libres (si sur la dernière orbitale se trouve qui s’organisent en un électron non apparié) Molécules pouvant être Squelette carboné Inorganiques Organiques composées Groupements Se divisant en fonctionnels dont la principale est Eau Glucides Lipides Protéines ac Nucléiques + sels minéraux D’après Michel Forest MOLÉCULE = assemblage covalent d’atomes Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : rappels et définitions Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : rappels et définitions Numéro atomique = nombre de protons dans le noyau nombre d’électrons Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : rappels et définitions Masse molaire atomique = masse d’une mole d’atomes purs C'est la masse d'un atome ramenée à l'échelle molaire 1 mole contient 6,022 ∙ 1023 atomes purs : C’est le nombre d’Avogadro : NA= 6,022 ∙ 1023 mol-1 Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : rappels et définitions Assemblages covalents Liaisons covalentes entre atomes Atomes qui s’organisent en Pour une molécule Masse molaire (MM) Molécules Exemple: une molécule d’eau H2O Assemblage covalent d’atomes 3 atomes Masse molaire (MM) = masse d’une mole de la molécule = somme des masses molaires atomiques MM (H2O) = 16 +1 +1 = 18 g/mol Masse moléculaire = masse d ‘une molécule MM / NA Masse moléculaire H2O = 18 / NA = 2,99 ∙ 10-23 g / molécule ou 18 Da 1Da = la masse d'un atome d'hydrogène = 1/NA Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : rappels et définitions Assemblages covalents Liaisons covalentes entre atomes Atomes qui s’organisent en Exemples: Molécules une molécule de glucose Assemblage covalent d’atomes 24 atomes : 6C + 6O+ 12H Masse molaire (MM) = masse d’une mole de la molécule = somme des masses molaires atomiques MM glucose= 180 g/mol Masse moléculaire = masse d ‘une molécule MM / NA Masse moléculaire glucose = 180 / NA = 180 Da Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : rappels et définitions Assemblages covalents Liaisons covalentes entre atomes Atomes qui s’organisent en Molécules Assemblage covalent d’atomes Formation d’une liaison covalente Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : rappels et définitions Assemblages covalents La liaison covalente : définition La règle de l'octet (rappel) “Les atomes ayant plus d'une couche ont tendance à réagir avec d'autres atomes pour combler leur couche externe à 8 électrons. Ce qui leur permet d'atteindre un état stable.” Chaque atome met en commun un électron de la couche externe partage d’une paire d’électrons Formation d’une liaison covalente Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : rappels et définitions Assemblages covalents Le carbone : dans toutes les molécules organiques => 6 électrons dont 4 peuvent s’hybrider => peuvent former 4 doublets liants (4 simples liaisons) Règle de l’octet est respectée: les atomes de C se combinent de façon à avoir 8 électrons sur leur couche de valence Le carbone forme 4 liaisons covalentes Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : rappels et définitions Assemblages covalents Les liaisons covalentes influencent la géométrie de la molécule 1) Le carbone peut former 4 simples liaisons : Dans ce cas, le carbone est tétragonal, géométrie tétraèdrique, cas majoritaire dans les biomolécules Doublets non liants acide sulfurique acide phosphorique ammoniac (NH3) eau (H2O) (H2SO4) (H3PO4). Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : rappels et définitions Assemblages covalents Les liaisons covalentes influencent la géométrie de la molécule 1) Le carbone peut former 4 simples liaisons : Dans ce cas, le carbone est tétragonal, géométrie tétraèdrique, cas majoritaire dans les biomolécules 2) Autres cas : - Le carbone peut former 2 simples liaisons et 1 double liaison : carbone trigonal, géométrie plane, cas peu fréquent - Le carbone peut former 2 doubles liaisons : carbone digonal, géométrie plane, rares - 1 triple liaison et 1 liaison simple : carbone digonal, géométrie plane, très rares cas Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : rappels et définitions Assemblages covalents Conditionne la géométrie dans l’espace pour la molécule Notion de carbone asymétrique Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : rappels et définitions Assemblages covalents Conditionne la géométrie dans l’espace pour la molécule Notion de carbone asymétrique Un atome de carbone est dit asymétrique s’il possède 4 substituants différents Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : rappels et définitions Assemblages covalents Notion de carbone asymétrique Un atome de carbone est dit asymétrique s’il possède 4 substituants différents Molécules asymétriques : ni plan ni axe ni centre de symétrie non superposables à leur image dans un miroir 2 formes différentes : 2 énantiomères qui n’ont pas les mêmes propriétés * * Le carbone asymétrique est noté * Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : rappels et définitions Assemblages covalents Notion de carbone asymétrique Un atome de carbone est dit asymétrique s’il possède 4 substituants différents Molécules asymétriques : ni plan ni axe ni centre de symétrie non superposables à leur image dans un miroir 2 formes différentes : 2 énantiomères qui n’ont pas les mêmes propriétés Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : rappels et définitions Assemblages covalents Géométrie de la molécule Notion de carbone asymétrique Exemple : la molécule de Carvone (terpène – lipide) * * Odeur de menthe verte Odeur de fenouil (L-carvone) (lévogyre) (D-carvone) (dextrogyre) Ces 2 molécules sont énantiomères l’une de l’autre Leurs propriétés sont différentes : Ex : Les molécules possédant un ou plusieurs carbones asymétriques sont chirales (cf cours glucides plus loin) Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : rappels et définitions Assemblages covalents 1- Liaisons covalentes et Géométrie de la molécule 2- Liaisons covalentes et Réactivité de la molécule Liaison polaire ou apolaire ? Si les deux atomes liés de façon covalente ont une électronégativité similaire ou identique alors la liaison est apolaire. Dans le cas inverse elle est polaire. Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : rappels et définitions Assemblages covalents 1- Liaisons covalentes et Géométrie de la molécule 2- Liaisons covalentes et réactivité de la molécule Liaison polaire ou apolaire ? Électronégativité : capacité d’un atome à attirer vers lui les électrons lors de la formation d’une liaison chimique avec un autre atome Ces différences d’électronégativité sont dues à une différence très importante de rayon atomique : Le rayon atomique diminue de gauche à droite Augmentation de l'attraction du noyau sur les électrons Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : rappels et définitions Assemblages covalents Principaux atomes et électronégativité Liaison polaire ou apolaire ? Nombre de Masse … et Électro- liaisons Atome molaire doublet(s) Particularités négativité covalentes (g.mol-1) non liant(s) (sans unité) possibles … C 12 4 - asymétrie (4 sub. différents) 2,55 H 1 1 - H+ , H3O+ 2,2 Oxydant O 16 2 2 accepte, attire les électrons 3,44 N 14 3 1 -NH2 -N+H3 3,04 c) Liaisons covalentes Principaux et réactivité de la molécule 5 atomes et électronégativité P 31 (3+1 double) - 2,19 Dans les molécules biologiques… S 32 2 2 -S-H -S-S- 2,58 Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : rappels et définitions Assemblages covalents Principaux atomes et électronégativité Liaison polaire ou apolaire ? Nombre de Masse … et Électro- liaisons Atome molaire doublet(s) Particularités négativité covalentes (g.mol-1) non liant(s) (sans unité) possibles … C 12 4 - asymétrie (4 sub. différents) 2,55 H 1 1 - H+ , H3O+ 2,2 Oxydant O 16 2 2 accepte, attire les électrons 3,44 N 14 3 1 -NH2 -N+H3 3,04 5 P 31 (3+1 double) - 2,19 S 32 2 2 -S-H -S-S- 2,58 Dans les molécules Dr Brasse-Lagnel - PASS biologiques… La biochimie : rappels et définitions Assemblages covalents Dans les molécules biologiques… Nombre de liaison covalente avec 2 atomes différents en électronégativité Masse … et Électro- liaisons Atome molaire doublet(s) Particularités négativité covalentes (g.mol-1) non liant(s) (sans unité) possibles … Dipôle : les électrons ne sont C 12 4 - asymétrie (4 sub. différents) 2,55 pas répartis uniformément le H 1 1 - H+ , H3O+ 2,2 long de la liaison car ils sont O 16 2 2 Oxydant accepte, attire les électrons 3,44 attirés par un atome N 14 3 1 -NH2 -N+H3 3,04 électronégatif 5 P 31 (3+1 double) - 2,19 Exemple : dans H – O – R S 32 2 2 -S-H -S-S- 2,58 le groupement O – H est Les électrons s’éloignent polaire, O étant plus de l’atome le moins électronégatif qui électronégatif que H acquiert alors une charge positive partielle Peut alors interagir avec un autre atome électronégatif par le DIPÔLE PERMANENT biais d’une liaison H O électrostatique Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : rappels et définitions Assemblages covalents Liaisons covalentes et réactivité de la molécule Molécule polaire ou apolaire ? Liaison polaire ou apolaire ? Exemple : l’oxygène O de l’eau est plus électronégatif que H H2O est un dipôle, c’est une molécule polaire : 2 charges égales mais de signes opposés séparés par une distance d. un dipôle se caractérise par Moment dipolaire µ son moment dipolaire Grandeur mesurable : µ = x d Le moment dipolaire est la grandeur reflétant la polarité d'une molécule Une molécule (groupement d’atomes) est polaire selon si elle possède un moment dipolaire Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : rappels et définitions Assemblages covalents Une molécule polaire est une molécule qui va être réactive La présence de groupements fonctionnels et non fonctionnels retrouvés dans les molécules biologiques explique leur réactivité Définition groupement fonctionnel et non fonctionnel : « Un groupement fonctionnel est un groupe d’atomes qui déterminent comment la molécule réagit, chimiquement et biologiquement » Exemple d’une molécule biologique : Certains groupes d’atomes sont H3C fonctionnels, d’autres groupes sont non fonctionnels Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : rappels et définitions Assemblages covalents Groupements non fonctionnels retrouvés dans les molécules biologiques -CH2 Groupement éthyle -CH3 Groupement méthyle Représentation simplifiée Exemple : On ne fait apparaître que les groupements fonctionnels Chaîne aliphatique Une chaîne aliphatique est une chaîne hydrocarbonée Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : rappels et définitions Assemblages covalents Principaux groupements fonctionnels retrouvés dans les molécules biologiques Groupement carbonyle voir cours glucides ALDÉHYDES CÉTONES Groupement hydroxyle voir cours glucides ALCOOLS Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : rappels et définitions Assemblages covalents Principaux groupements fonctionnels retrouvés dans les molécules biologiques Groupement carbonyle Groupement ester Remarque: voir Groupement acyle cours lipides ALDÉHYDES CÉTONES Groupement hydroxyle Groupement amine Groupement carboxyle voir cours lipides ALCOOLS ACIDES CARBOXYLIQUES AMINES voir cours Dr Brasse-Lagnel - PASS AA La biochimie : rappels et définitions Groupements fonctionnels et non fonctionnels On les retrouve dans tous les groupes constituants les biomolécules Réactivité des molécules (relation structure / fonction) Assemblage en macromolécules (Polymérisation) Polysaccharides Acides nucléiques Lipides Protéines Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : rappels et définitions Macromolécules: définition MACROMOLÉCULE= très grande molécule = masse moléculaire élevée (~103 à 109 Da) = assemblage covalent de molécules = polymère (formé de monomères) Définitions : Monomère = sous-unité = l'élément constitutif du polymère qui peut se retrouver dans une structure après une réaction d'oligomérisation ou de polymérisation Monomère = peut contenir un ou plusieurs groupement fonctionnels susceptibles de participer à la réaction de polymérisation La biochimie : en résumé Macromolécules = Assemblages covalent de molécules Structure tridimensionnelle Atomes Monomères Polymères C, H, O Polysaccharide Oses Simples MACROMOLÉCULE C, H, O, N, S POSSÈDE UNE Stru STRUCTURE ET DES PROPRIÉTÉS QUI DÉPENDENT Acides aminés DE LEUR CONSTITUTION EN Protéine ATOMES C, H, O, N, P Nucléotides Acide Nucléique Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : en résumé Macromolécules = Assemblages covalent de molécules Biomolécule Macromolécule Atomes Monomères Polymères C, H, O Polysaccharide Oses Simples C, H, O, N, S Acides aminés Protéine C, H, O, N, P Nucléotides Acide Nucléique Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : rappels et définitions MACROMOLÉCULE= très grande molécule = masse moléculaire élevée (~103 à 109 Da) = assemblage covalent de molécules = polymère (formé de monomères) ASSEMBLAGE COVALENT CONSOLIDÉ PAR DES LIAISONS NON-COVALENTES… Interactions ioniques Interactions de Van der Waals Liaisons Hydrogène… Sont faibles, mais nombreuses dans les macromolécules biologiques Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : rappels et définitions MACROMOLÉCULE= très grande molécule = masse moléculaire élevée (~103 à 109 Da) = assemblage covalent de molécules = polymère (formé de monomères) voir cours AA Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : rappels et définitions Macromolécules = Assemblages covalent de molécules Force des liaisons intra- et inter-moléculaires : COMPLEXE STABLE MOINS STABLE Plus ces liaisons faibles seront nombreuses : plus la structure tridimensionnelle de la molécules (macro)molécule sera stable Dr Brasse-Lagnel - PASS La biochimie : en résumé Macromlécules = Assemblages covalent de molécules Les macromolécules ont une conformation spatiale nécessaire à leur fonction La cohésion des macromolécules est essentielle à leur fonction Par exemple : site actif d’une enzyme Conformation spatiale assurée par des liaisons non covalentes glucose Complémentarité structurale protéine Réaction enzymatique, Liaison récepteur ligand, second messager, Dr Brasse-Lagnel - PASS réaction immunitaire … La biochimie : en résumé Macromlécules = Assemblages covalent de molécules Les macromolécules ont une conformation spatiale nécessaire à leur fonction La cohésion des macromolécules est essentielle à leur fonction Par exemple : site actif d’une enzyme Conformation spatiale assurée par des liaisons non covalentes glucose Relation structure fonction des molécules !! Complémentarité structurale protéine Réaction enzymatique, Liaison récepteur-ligand, second messager, Dr Brasse-Lagnel - PASS réaction immunitaire … La structure des glucides PLAN I. Introduction à la biochimie 1. La chimie du vivant 2. Les biomolécules 3. Assemblages en macromolécules II. Structure des glucides 1. Oses - monosaccharides 2. Cyclisation des oses 3. Dérivés des oses 4. La liaison osidique et les osides Dr Brasse-Lagnel - PASS La structure des glucides Glucides : plusieurs rôles capitaux dans les cellules Rôle énergétique Chez l’Homme, 40 à 50 % des calories apportées par l’alimentation sont des glucides. Réserve énergétique sous forme polymérisée : amidon (végétaux) et glycogène (animaux) Rôle structural Eléments de soutien, de protection (cellulose), Eléments de reconnaissance et de communication entre cellules : les polyosides des groupes sanguins, les polyosides antigéniques des bactéries Constituants de molécules fondamentales : acides nucléiques, les glycoprotéines, coenzymes, vitamines, … Dr Brasse-Lagnel - PASS La structure des glucides Glucides : Définition Les glucides constituent un ensemble de substances dont les unités de base sont les sucres simples appelés oses ou monosaccharides Les oses ont été définis comme des aldéhydes ou des cétones polyhydroxylées Ce sont des composés hydrosolubles et réducteurs Molécules organiques dont les carbones sont porteurs de fonctions alcools (alcool secondaire, alcool primaire) d’une fonction aldéhyde ou cétone parfois d’une fonction acide ou amine Dr Brasse-Lagnel - PASS La structure des glucides Oses - monosaccharides = glucides simples : unités de base Au moins 3 atomes de carbone Un groupement carbonyle (C=O) : ALDOSE CÉTOSE En C1 : groupement aldéhyde En C2 : groupement cétone H O 1 C 1 C OH 2 C OH 2 C O HO 3 C HO 3 C Tous les autres carbones portent un groupement hydroxyle alcoolique Dr Brasse-Lagnel - PASS La structure des glucides Oses - monosaccharides = glucides simples : unités de base Au moins 3 atomes de carbone Un groupement carbonyle : ALDOSE CÉTOSE En C1 : groupement aldéhyde En C2 : groupement cétone H O 1 C 1 C OH Fonction alcool primaire 2 C OH 2 C O Fonction alcool secondaire HO 3 C HO 3 C Fonction alcool primaire Fonction alcool primaire Tous les autres carbones portent un groupement hydroxyle alcoolique Dr Brasse-Lagnel - PASS La structure des glucides Oses - monosaccharides = glucides simples : unités de base Le plus petit 3 atomes de carbones TRIOSES Avec un groupement aldéhyde Avec un groupement cétone ALDOTRIOSE CÉTOTRIOSE Glycéraldéhyde Dihydroxyacétone H O 1 C1 C OH 2 C OH 2 C O HO 3 C 3 HO C Dr Brasse-Lagnel - PASS La structure des glucides Oses - monosaccharides = glucides simples : unités de base Le plus petit 3 atomes de carbones TRIOSES Glycéraldéhyde Dihydroxyacétone https://sketchfab.com/3d-models/glyceraldehyde-8dad2548c97047be90f73645b43ca059 Dr Brasse-Lagnel - PASS La structure des glucides Oses - monosaccharides = glucides simples : unités de base 3 atomes de carbones TRIOSES 4 atomes de carbones TETRAOSES 5 atomes de carbones PENTOSES 6 atomes de carbones HEXOSES REMARQUES : HYDRATE DE CARBONE, MONOSACCHARIDE trioses C3H6O3 tétraoses C4H8O4 Cn(H2O)n pentoses C5H10O5 hexoses C6H12O6 Dr Brasse-Lagnel - PASS Aldoses Quels sont les aldoses à retenir ? 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